Conception développement de micromoteurs synchrones planaires à aimants

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planaires à aimants

Pierre-Alain Gilles

To cite this version:

Pierre-Alain Gilles. Conception développement de micromoteurs synchrones planaires à aimants. Sciences de l’ingénieur [physics]. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2001. Français. �tel-00598777�

,NSTITIIT

NATIONAL

POLYTECHNIQITE

DE

GRENOBLE

N" attribué Par la bibliothèque

l-l-l-l-l-l-l-l-l-l-l

THESE

Pour

obtenir

le

grade de

DOCTEUR DE L'INPG

SPécialité

:

_"

Génie électrique

n

préparée

_'

au

Laboratoire d'Electrotechnique d9 Grenoble

àans

le

cadre

de I'Ecole Doctorale

<

E.E.A.T'S'

rr

présentée et soutenue publiquement

par

Pierre-Alain GILLES

le

10

septembre

2001

Titre

:

Conception

développement

de

micromoteurs

synchrones planaires

à

aimants

Directeur

de

thèse

:

OrPhée CUGAT

Jury

M. Michel AMIET

M.

Martin GIJS

M. Bertrand NOGAREDE

M. Marcel IVANES

M. Orphée CUGAT

M.

Jérôme

DEI-AMARE

Président

Rapporteur

Rapporteur

Examinateur

Directeur de thèse

Co-encadrant

Remerciements

Merci

à toutes celles et ceux qui ont conûibué à ce travail :

Marcel

IVANES

pogr

ses idées

et

conseils fondateurs, Orphée

CUGAT

et Jerôme

DELAMARE

pour leurs idées

fondafices

ainsi que leur suivi tout au long,

La

Direction

Génerale de

I'Armement qui,

par I'intermédiaire de

I'intérêt

prêté par

Michel

AMIET,

I'a

financé,

Les menrbres du

jury,

Michel AMIETdo

la

DGA

qui a accepté de le présider,

Martin

GIJS du Microsystems lnstitute de

I'Ecole

Polytechnique Féderale de Lausanne et Bertrand

NOGAREDE du

Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique

Industrielle

à Toulouse

qui ont

accepté

d'en

être les

rapporteurs,

ainsi

qu'à

nouveau

Marcel IVAÎ'{ES,

Orphée

CUGAT

et Jérôme

DELAMARE

du LEG,

Mes collègues du LEG, thésards, techniciens, chercheurs, et administratifs pour leurs

contributions scientifiques

et

techniques

ou humaines:

Fréd,

Max, CCM,

Jean-Mi,

Jean-Christophe,

Eric,

Bertrand(s), Corinne, Ambroise, Khaled,

Aktham,

POJ,

Yvan, Jimmy

et

Ben, Bruno

MALLET,

Djidji

BRUN, Eric GENTIL,

Elise

RIADO,

Jaqueline

DELAYE'

Monique BOIZARD

et

Danielle

COLLIN,

Robert

PERRET,

Jean-Pierre ROGNON,

Christian SCHAEFFER et Pascal

TIXADOR...

L'equipe

Composants Magnétiques Intégrés

du

Département Microtechnologies,

ainsi

que

quelques autres

du CEA-LETI pour

la

performance

de

leurs travaux

et

leur

gentillesse:

Pierre

GAUD,

Jean-Marc

FEDELI,

Christel

LOCATELLI,

Claire

DIVOUX,

Henri

SIBUET,

Marie-Hélène

VAUDAINE,

Gérard

BARROIS, Marcel

AUDOIN,

Jean-Marc CLERC,

Alain

PERSICO...

La société Technotime SA à Valdahon pour sa contribution en micromécanique,

Table des matières

Table

des

matières

Introduction

générale

Chapitre

I

:

Etat

de

l'art

I. 1. Introduction

I.2.

La réduction d'échelle

I.2.1 . Introduction

I.2.2. Echelle de couPles I.2.3. HYltothèses

I.2 .4 . Electromagnétisme I.2.5 . Electrostatique

I.2.6. Conclusion

I.3. Les micromoteurs en général I.3. 1 . Introduction

I.3 .2. Les micromoteurs électrostatiques

I.3.3. Les autres types de micromoteurs I.3.4. Conclusion

I.4. Les micromoteurs électromagnétiques

I.4.1 . Introduction I.4.2. Les microbobines

I.4.3. Les micro-aimants

I.4.4. Les micromoteurs électromagnétiques

I.4.5. Conclusion

I.5.

Conclusion

chapitre

II

:

Modélisation

et conception

II. 1. Introduction

II.2.

Démonstrateur

II.2.l.

Introduction

II.2.2 . P tésentation du démonstrateur

II.2.3. Mesures

II.2.4. Modélisation du démonstrateur

II.2.5. Conclusion

II.3.

Dimensiormement des micromoteurs II.3.1 . Introduction

II.3.2. Equations du micromoteur

II.3.3. Dimensiorulement SouS contraintes

II.3.4. Conclusion

II.4.

Stator

II.4.1 . Introduction

II.4.2. Conception du bobinage

II.4.3. Simulation du champ tournant

II.4.4. Conclusion 7 11

l1

11 T2 16 T7 L7 T7

t9

20 2A 2T 23 27 35 35 39 39 39

4l

4l

46 46 49 51 53 54 54 56 60

II.5.

Rotor

II.5.1.

Introduction

II.5 .2. ConcePtion du

rotor

[.5.3.

ConcePtion de I'aimanteur

[.5.4.

Conclusion

II.6.

Structure mécanique du micromoteur

I1.7. Etude des pertes par courants induits et de l'échauffement

II.7. 1. Introduction

II.7 .2. Pertes par courants de Foucault

II.7.3. Etude thermique

II.7.4.

Conclusion

II.8.

Conclusion

Chapitre

III

:

III.

1. Introduction

III.2.

Stator III.2. 1 . Introduction

III.2.2.

Fùrication

du stator

III.2.3.

Caractérisation du stator

III.2.4"

Conclusion

[I.3.

Rotor

[I.3.

1 . Introduction

III.3.2.

Usinage et assemblage

III.3.3.

Aimantation

Iil.3.4.

Conclusion

III.4.

Eléments périphériques

III.4.1 . Introduction

III.4.2.

Mécanique

III.4.3.

Connectique

III.4.4.

Alimentation

III.4.5.

Conclusion

III.5.

Le micromoteur complet

[I.5.1.

Introduction

III.5.2.

Assemblage

[I.5.3.

Test

III.5.4.

Conclusion

ilI.6.

Conclusion

Conclusion

générale Annexes

Descriptif

du bobinage statorique Plan des pièces mécaniques

Références 60 61 67 7L 72 74 74 75 76 77 81 81 81 90 92 92 92 93 94 95 95 96 96 97 97 97 99 101 101 103 109 115 119

Introduction Générale

La

place des

microsystèmes

dans

le

monde technologique

actuel

prend

progressivement de f importance. La majorité des microsystèmes développés et industrialisés

sont

des

microcapteurs,

qu'ils

soient physiques

(pression, ternperature,

contrainte,

déformation,

position...)

ou

chimiques (détecteur de gaz, réacteur chimique,

ADN)'

Leurs

domaines

d,applications

sont

vastes

et

concement

tout

autant

I'industrie

(gestion

des procédés)

que l'automobile

(capteur

de position

de vanne

de

carburateur, freinage

ABS'

uirbug, pression

et

ternpérature

d'admission...)

ou la

médecine (bio-puces)'

Les

capteurs

magnétiques (têtes de lecture/enregistrement pour périphériques informatiques entre autre) occupent une place à part du

fait

du marché enorme impliqué.

Enfin,

les capteurs optiques

de

la

famille

des

CCD

concernent

le

marché

en

pleine

explosion

des

appareils

photographiques et caméscopes numériques'

Dans

ce

contexte,

les

micro-actionneurs

ont

été

plus

lents

à

se

développer.

premièrement parce que

la

génération d'une force

ou

d'un mouvement est

plus

difficile

à

mettre

en

æuwe

_;

une

autre

raison provient

du

fait

des débouchés actuellement moins immédiats qu'ils offrent dans les applications industrielles.

pour

_des

_{raisons principalement}

liées

à

I'expérience

de

I'industrie des

semi-conducteurs, la plupart des micro-actionneurs (et capteurs) développés utilisaient à I'origine

l'électrostatique

pour

la

conversion d'énergie

en

mouvement

ou en

force

(moteurs

et

actionneurs à capacité variable, systèmes à peignes interdigités, valves...).

Aujourdhui

les

principes

actifs

se

sont

largement diversifié

et

les

microsystèmes

utilisent

aussi

l'électromagnétisme, les matériaux piézo-électriques, les alliages à mémoire de forme, et des

effets

thermiques

(d'origine

résistive

ou

optique)

ou

acoustiques

(vibrations

mécaniques,

ondes progressives). Marginalement, l'électrohydrodynamique

et

I'hydropneumatique sont

aussi mises à contribution.

Dans ce cadre, le Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble s'intéresse aux

micro-actionneurs

électromagnétiques,

et

en

particulier

à la

miniaturisation

des

moteurs

électriques.

Le travail

présenté dans ce mémoire

s'inscrit

dans

la

continuité de travaux conduits

depuis quelques années

sur les

micromoteurs. Son

objectif

est

la

réalisation

de

moteurs synchrones miniatures à aimants

qui

soient à la fois les plus performants possible et les plus

compatibles

possible avec

les

technologies

de

fabrication collectives.

Ceci oblige

tout

d'abord à ce

qu'ils

soient planaires.

Nous

commencerons

par

présenter

un

état

de

l'art

des micromoteurs,

puis

nous

exposerons

le

processus

de

conception

et

de

dimensionnement

de

nos moteurs,

et

terminerons

en montrant les

méthodes

de

fabrication de nos

prototypes

ainsi

que

leurs prerniers tests de fonctionnement.

Chapitre

I

: Etat de l'art

Chapitre

I

Chapitre

I

: Etat de I'art

1.1.

Introduction

L'appellation micromoteur est

assez

vaste,

elle peut définir

des objets

de

technologies et de tailles très différentes. Le micromoteur reste bien sûr un moteur, c'est

à dire

gn

organe capable d'enffaîner

un

objet,

géneralement en

rotation

si rien

n'est

spécifié, ou en translation

s'il

est linéaire.

I1 faut écarter I'association entre

micro-

et le micron (Fm), car les micromoteurs sont tous nettement plus gros que cela, et dans ce sens, I'appellation

millimoteur

serait

plus

appropriée.

On

peut

plus

simplement en référer

à l'étymologtre:

mil+ros

en

grec

veut dire petit,

et donc comprendre que les mictomoteurs sont petits, par rapport aux autres moteurs de même technologie, et dans

le

sens où

leur

fabrication nécessite des

techniques spécifi ques.

Ce

chapitre

présente

d'abord

les

principales

lois qui

régissent

la

réduction

d'éche11e des systànes élecftiques afin de comparer les principes des différents types de

micromoteurs existants,

puis

repertorie ces derniers dans

un

inventaire

succinct, en

s'attardant

sur les

micromoteurs

électromagnétiques

qui

nous

concernent

plus

particulièrement.

1.2.

La

réduction d'échelle

l.2.l.lntroduction

Que deviennent les

lois

physiques exprimant les forces et

les

couples à petite

échelle ? Quelles valeurs doivent avoir les grandeurs électriques pour que ces glandeurs mécaniques soient intéressantes

?

Quelles

implications

y

a

t'il

sur

les

géométries de

moteurs qui seraient oPtimales ?

Répondre à ces questions est le

but

de cette partie, et cela

justifiera

le

choix

de l' électromagnétisme cofirme principe pour nos micromoteurs.

1.2.2.

Echelles

de

couPles

Dans

tout

ce chapitre nous allons beaucoup parler

de pN.m,

parfois même de

nN.m ou

de

pN.m.

Afin

de rendre ces unités

plus

parlantes, imaginons

un treuil

qui

aurait un diamètre de

I

Tnm, ce qui est déjà nettement supérieur au diamètre de certains des rotors dont nous allons parler. Pour soulever une tablette de chocolat

de

100

g

il

faudrait 500

pN.m.

S'il y

avait 50 carreaux de chocolat dans cette tablette, en soulever un nécessiterait

l0

pN.m.

1.2.9.

Hypothèses

Nous allons étudier

I'influence

d'une réduction d'échelle sur des systèmes, sous

physiques

des matériaux

ne

dépendent

pas

de leur taille.

C'est

à

dire

qu'un

agrandisseme,nt photographique

d'un

microsystème colrespondrait exactement

à

un système de

plus

grande dimension.

Les

entrefers en

particulier

sont

modifiés

avec

le

même rapport géométrique.

Nous nous appuyons sur les calculs analytiques des interactions existant errt:e 2 é|éments ponctuels

(Dipôle

magnétique, élément de courant, charge électrique). Toute géoméhie complexe

pouvant

être ramenée

à un

ensemble d'éléments ponctuels, les résultats que nous allons

fournir

sont géneraux et ne dépendent pas de la géoméfie. 1.2.4.

Electromagnétisme

1.2.4.1.

Systèmes

purementmagnétiques

Un

aimant ponctuel de volume

vr

et de polarisation J1 crée un potentiel scalaire V1 en un point

M

distant de

r:

Fig.

I.I

.' Aimant

/

aimant

vl

J,

'r

v,(M)

=,:

u.u

rrVJo rt

Suite à une réduction dans un rapport

k

(k

>

l),

la distance

r

et le volume

v

sont

modifiés:

(-l*.

r

lf=

-JK

_I

_u'21

l"=l

LK'

Le

nouveau

potentiel

scalaire

Vr'

est

donc proportionnel

au

rapport

de

I'homothétie:

V,'(M')=

Vt(M)

k

[I.3]

Le champ magnétique est obtenu en prenant le gradient du potentiel scalaire. Le gradient étant une dérivée par rapport aux distances, on peut en déduire que

le

champ magnétique

H'

après homothétie est le même que le champ

initial H

:

Ht (M',) =

H'(M)

U.4l

Plaçons maintenant

un

2è"

dipôle de polarisation J2 dans

le

champ créé par

le

1*. La

force magnétique

_{

exercée par

le dipôle

1 sur

le

dipôte

2

est obtenue par la

Chapitre I : Etat de l'art

W

=-Tt'v2'{

P,, =

-gradW;

On en déduit que l'énergie d'interaction est divisée par k3 et la force par

l*

:

il'-Ft'

L ₁₂ t-z I1.

Finalement, Puisque

la proportionnelles à

k

: - '+

tr,

_L12 F-= lç. -12

m'm

La

miniaturisation se révèle

ainsi

avantageuse

pour les

solutions existant

à

l,échelle macroscopique, voire

mâne

des solutions qui n'étaient pas viables pourront le devenir à 1' échelle microscopique.

1.2.4.2.

Systèmes magnétiques avec présence de

fer

Vis

à vis d'un

aimant,

un

matériau ferromagnétique

se

comporte

cofllme

un

miroir

magnétique, c'est à dire que les interactions sont les mêmes que si le

miroir

était

remplacé

par

un

2è-"

aimant

symétriquement

par

rapport

à

la

surface

du

miroir.

L,aimantation

f

de cet

aimant

fictif

dépend

d"

{,

qui n'est

pas

modifié par

le changernent

d'échelle.

Comme

pour

les

interactions

aimant

/

aimant,

les

forces massiques sont donc égalernent proportionnelles à

k

:

Fig.

1.2 : Aimant /

_fer

Frrt

-1.

Ft, - r\.

[I.6]

masse vaut

:

m'=

+,

les

forces

massiques sont

k'

[Ls]

[I.7]

A

,ti'i

i...i.,t :

u.8l

m'm

D'une

maniere générale

la

présence de

fer

dans

un

système ne

modifie

pas les forces massiques lors d'une réduction d'échelle.

1.2.4.3.

Systèmes électromagnétiques

Remplaçons maintenant

le

1"'dipôle

par

un

élément conducteur

dl

de section S parcouru par

un

courant

i

de densité ô. D'après

la

formule de

Biot

et Savart

il

crée un

champ magnétique :

Fig.L3

:

II.9]

[I. 10]

Donc:

Ë(M')

= frGurl

Il

en

découle

qu'à

densité

de

courant

constante,

les

forces

massiques sont constantes :

Ftr'-

Ft

u.l

u

m'm

Les systànes électromagnétiques fonctionneront donc aussi bien à petite échelle

qu'à

grande échelle.

Et

même

mieux

puisque

les

densités

de courant

peuvent êfre

grandement augmentées dans

les

microsystèmes, grâce

à

une

évacuation des pertes Joule très efficace.

En effet, les pertes étant proponionnelles au volume du conducteur, et le

flux

de

chaleur évacué à

la

surface, les pertes seront plus facilement évacuées à

petite

échelle

puisque

I'effet

de

taille

est

preponderant

devant

I'effet de

forme.

De

plus

les

conducteurs élaborés

par les

technologies

collectives planaires

sont très plats,

et directement en contact avec un substrat bon conducteur de la chaleur.

Selon la

taille

et la forme des conducteurs, on

poura

ainsi atteindre des densités

de

courants

de

1000

voire

l0

000

Nmmz,

à

comparer

aux

5

A/mm2

de

l' électrotechnique classique.

Introduisons

un

rapport

ki

(ki

>

1),

dépendant

en

fait

de

k,

et

représentant

I'augmentation des densités de courant, les forces massiques évoluent finalement selon

la

loi

: H

'12

a;

Ë

mt

-k.

I

u.t2l

Les forces massiques sont donc finalement augmentées, et la miniaturisation des

systèmes électromagnétiques se révèle ainsi également interessante.

Il

faut

cependant noter que I'augmentation de

la

densité

de

courant se

fait

au

détriment du rendement, puisque les pertes Joule volumique évoluent en

&.

1.2.4.4.

Systèmes purement électriques

Nous obtenons

la force

fl

exercée par

un

élément de conducteur sur

un

autre par la formule de Laplace :

Fig.

1.4 :

Chapitre

I

: Etat de l'art

F,,

-

i.d12

".{

=

Fo.ô.S.["Ht

[I.13]

[I. 14]

Donc finalement les forces massiques exercées ertfre2 conducteurs évoluent en :

-.)

F,r'=

k,'

_. F,,

m'km

L,évolution

défavorable

lors

d'une

miniaturisation

d'un

système purement

électrique peut

ête

compe,nsée par I'augmentation des densités de courant. Ceci se fera

également en défaveur du rendement.

1.2.4.5.

Systèmes électromagnétiques inductifs

Etudions la force exercée sur une spire de longueur

I

correspondant à une surface

S et parcourue par un courant

i,

se deplaçant dans le champ aéé:par un aimant.

Fig. 1.5 :

Aimant / spire

Le

champ

magnétique

créé

par

l'aimant

est

inchangé

lors

de

la

réduction d'échelle donc le

flux

(D _varie

_selon:

En

considerant

la

vitesse de déplacement du

dipôle

constante,

la

fém e dans le

dipôle

électrique étant

la

dérivée

du

flux

par rapport au

temps,

elle

varie

aussi

inversement proportionnellement à k2 :

<p'=9

k'

.e

e'=.-k'

.ee.Si

Le COurant VaUt

:

| ₌

_

₌

_,

dOnC

i

r.=

_

R p.l'

k'

La force est donnée par la formule de Laplace

:

F =

i.d

n

Ë

Finalement

les

forces

sont

inverssment

proportionnelles

d'homothétie:

F=1.Ë

m'km

u.

l5l

lI. 191 u. 161 u. 171 u. 181

au

rapport

La

miniaturisation se révèle ainsi défavorable aux systèmes inductifs, même si en prenant des vitesses de déplacement proportionnelles à

k

on peut arriver à des forces massiques constantes.

1.2.4.6.

Systèmes purement inductifs

En combinant les résultats précédents nous pouvons également dernontrer que

la

miniaturisation

des systèmes bobine

_-

bobine

est très défavorable puisque

les

forces massiques décroissent en :

F

rË

=-.-m'k3m

l. 2.

5. Electrostati que

Prenons 2 électrodes de surface S distantes de e, avec une difference de potentiel

U

correspondant à

un

champ électrique

E,

et une charge

q

sur

I'une d'elles.

La

force

électrostatique

Ë

exercée vaut

:

Ë ₌ q.Ë

Fig.

1.6 :

Electrode

/

électrode

La tension maximale applicable est la tension de claquage, elle est le

produit

du champ disruptif par la distance entre électrodes :

U

:

Ed.e _U.22J

La

charge électrique s'exprime en fonction de

la

capacité entre électrodes et de

latensionU:q-C.U

La

capacité elle-même s'exprime sous la forme

:

Ç =

t

S

e

On en déduit une autre expression de la force

:

F ₌

g.Sq

e2 Finalement, les forces massiques sont proportionnelles à

k

:

I=k.i

m'm

lI.20l

lI.21l

u.231 u.241 u.251 U.26J

A

cela s'ajoute

I'effet

Paschen _{IPAS 89]}

_[MIN

98]

: en dessous de 7

pm

environ

il

y

a une augmentation du champ disruptif dans

I'air

qui permet d'augmenter la tension et donc la force.

Comme

pour

les

systèmes magnétiques,

la

miniaturisation

se révèle

ainsi avantageuse,

à

la

difference près que peu

de

systànes électrostatiques sont

viables

à

grande échelle.

Ils

souffrent en

effet d'un

besoin de tensions élevées

pour

obtenir des

Chapitre I : Etat de l'art

1.2.6.

Conclusion

Nous avons étudié

I'influence

d'une réduction d'échelle sur differents systèmes.

Nous

en

avons déduit

que

la

miniaturisation

de

systèmes

élecfromagnétiques

comprenant des aimants

et

des conducteurs est avantageuse

en

ce

qui

concerne les

forces massiques, et que contrairement aux idées couramment exposées l'électrostatique

et

l,électromagnétisme

sont

des candidats theoriquement égaux

à la

miniaturisation,

avec même un

point

de départ plus favorable pour l'électromagnétisme. Nous pensons donc que le préjugé négatif en faveur de l'électrostatique est injustifiée, et que le

micro-électromagnétisme

mérite

qu'on

s'intéresse

plus à

lui.

C'est pourquoi nous

I'avons

choisi comme principe pour nos micromoteurs'

1.3.

Les micromoteurs en général

l.S.l.lntroduction

Differents types

de

micromoteurs

ont

déjà été

réalisés

par de

nombreux

laboratoires, avec differentes techniques,

à

differentes

tailles,

à

différents

stades de

finition,

et avec des fortunes diverses...

Cette partie se veut un regard général sur

l'éventail

actuel de la concurrence des

micromoteurs électromagnétiques.

t.3.2. Les micromoteurs

électrostatiques

Les

premiers micromoteurs

furent

électrostatiques.

Cela

est

dû, corlme

nous

I'avons

exposé dans

I'introduction, à

l'évolution

des technologies

silicium

tirées par l'expérience de

f

industrie de la microélectronique. Inventé en 1748 par

B.

Franklin, le

moteur

électrostatique

ne

fut

pas

développé

en

raison des fortes

tensions

qu'il

nécessitait. En revanche, celui-ci devenait interessant aux petites dimensions (Cf. I.2.5.). Le premier micromoteur électrostatique

_[TAI

89] faisait

O

120 pm.

n

développa quelques

pN.m pour une

vitesse

de 500

trlmn.

Avec notre notre image

du treuil,

il

pourrait donc seulement soulever une micro-miette de chocolat de quelques

pg

!

Fig.

1.7 :

I"

micromoteur électrostatique

Parmi les micromoteur électrostatiques, les moteurs à capacité

variable

ont été les plus étudiés. La forme du rotor est conçue de maniere à obtenir une capacité variable

entre

lui

et les électrodes statoriques.

L'excitation

peut

ête

axiale ou radiale, on obtient alors respectivement des moteurs top-drive ou side-drive

_[MEH

90].

Ces moteurs sont réalisés par une simple lithographie en double couche de silicium.

Fig. 1.8 : Micromoteurs électrostatiques top-drive et side-drive

Malgré

le

succès

initial

de

tous

ces moteurs

qui

sont

à

I'origine

des

micromachines

et

sont

fabriqués

sur silicium,

ils

restent

limités,

et leur

couple

ne

dépasse pas la gamme du nN.m.

Les moteurs

wobble

(En anglais : osciller) ou harmoniques sont électostatiques

avec contact mécanique

_[MEH

90]. Le rotor

et

le

stator sont de diamènes légere,ment

differents. Le rotor est attiré par pression électrostatique par les élechodes statoriques et

roule ainsi à

I'intérieur

du stator.

r*|{*

3e{ùr nfrlllhf,

Fig. 1.9 : Micromoteur wobble

L'avantage du moteur wobble est que la faible différence de diamètre entre

rotor

et

stator

roulant I'un

sur I'autre constitue

un

réducteur intrinsèque, et

on obtient

donc directement de plus forts couples à de plus faibles vitesses. Un moteur wobble

_[TRI

39] (D ₃₂

_mm

_x

₁₃

_mm

_avec

_un

_enfrefer

_de

₁₃

_pm

_{a développé 700}

_pN.m.

_Plus

_petit,

_un moteur

O

300 pm

x

15 pm réalisé par lithographie profonde

UV

et élecffolyse de nickel

a développé 25 nN.m

_[DAN

95].

Une

demière catégorie de moteurs électrostatiques est intéressante

à l'échelle

sub-millimétrique: ce

sont les

moteurs

à interactions de contact, qui utilisent

les

forces de

friction

dans un domaine où elles prédominent naturellement sur les forces de

Chapitre

I

: Etat de l'art

AilÊtb d,e brsion

Fig.

I.I0

: Micromotanr électrostatique annulaire à interactions de contact

du

LMA

à Besançon

Les ailettes de torsion du

rotor

subissent une pression élechostatique provenant

d'une

élecfiode enterrée,

l'énergie de

déformation stockée dans

I'ailette

est restituée

lorsque I'alimentation est interrompue. Ce type d'actionnement stappelle

scratch

drive

actuator (SDA).

Un tel

moteur

O

500 pm

peut tourner

à

1000

trlmn

alimenté

à

500

kHz.

Il

peut développer

jusqu'à

l5

pN.m dans le cas extrême d'une alimentation de 180

V.

L'usure senrble cependant

limiter

fortement la durée de vie de tels moteurs, ainsi que le besoin d'alime,ntations à fortes tensions.

1.3.3.

_{Les autres Upes}

de micromoteurs

Citons ensuite les moteurs ultrasonores. Ils utilisent les effets

piézoélectrique

ou

magnétoshictif

de

certains matériaux

pour

créer des

ondes

de

déformation

qui

transmettent, grâce aux frottements, l'énergie du stator vers le rotor.

L'onde

de

vibration

ultrasonore d'amplitude submicronique est transformée

ici

aussi à I'interface de contact en une force importante de faible vitesse, avec un

fort

couple de maintien à I'arrêt. Par exemple, un moteur

_IUDA

91]

à

rotor

O

1,5

mm

en

velre

déposé sur

un

couche PZT

tourne entre 100 et 300

trlmn

en développant 40 pN.m sous 5

V.

11 existe ensuite encore d'auhes types d'actionnements possibles : par

utilisation

d'alliages

à

mérnoire

de

forme, des

scratch

drive

à

partir

d'autres forces

que

l'électrostatique, . ..

A

titre de dernier exernple et pour donner une idée de la diversité existante, nous présentons un convoyeur à matrice d'actionneurs thermiques qui

utilise un

effet bilame

IATA

93].

L'actionneur thermique

est

intéressant

aux

petites

dime,nsions

car

les constantes thermiques sont faibles.

off f-â,r --I -t." I loff on ot_.? -.tr

_t

olt

I

_I J-'' ïl*1 ûf, Olr

tt

Fig.

1.11

:

Convoyanr à matrice d'actionnanrs thermiques

1.3.4.

Conclusion

Nous voyons ainsi

qu'il

existe

un

grand nombre de structures de micromoteurs

autres qu'électromagnétiques utilisant des propriétés physiques diverses. D'une manière

génerale,

les

moteurs

électrostatiques sans

contact sont déjà très

bien

adaptés aux

technologies de fabrication collectives, mais

ils

développent des couples faibles et les grandes valeurs de tension

qu'ils

nécessitent sont handicapantes. En ce qui concerne les

autres

modes

d'actionnements,

à

interactions

de

contacts,

certains se révèlent

très prometteurs, mais

leur

durée de

vie

risque

d'être limitée par

I'usr:re et

ils

concernent

plutôt

des vitesses de rotation faibles.

1.4.

Les

micromoteurs

électromagnétiques

1.4.1.lntroduction

Mis

à

part

le

moteur Lavet

qui fait

encore

aujourd'hui

figure

d'ancêtre

indétrônable,

I'intérêt

pour les

micromoteurs électromagnétique est récent. Plusieurs

voies

sont

explorées depuis

une dizaine

d'années. Globalement

il

y

a

2

approches

possibles.

Soit les

géométries classiques de moteurs sont conservées telles quelles et réduites,

la

difficulté

venant alors de la petite

taille

des objets discrets à fabriquer. Soit

le pas des technologies collectives est franchi et

il

faut alors adapter les géométries.

Nous allons donner dans

la

suite des exemples de réalisation qui nous semblent

donner

à la

fois

une

idée

de

l'évolution

historique

des

micromoteurs électromagnétiques,

ainsi qu'une vision

globale

de

l'état

de

I'art,

en

commençant

d'abord par faire un

point

sur les bobinages et les aimants,

qui

sont les constituants de base des moteurs électromagnétiques.

Chapitre I : Etat de I'art

1.4.2.

Les

microbobines

1.4.2.1.

Introduction

Outre

l'électronique

qui

demande des micro-inductances,

les

microsystànes

électromagnétiques nécessitent de plus en plus de microbobines, essentiellement pour

la

création

de

champs magnétiques

pour

de I'actionnement,

mais

aussi

pour de

la

télé-alimentation de microsystèmes ou la réalisation de capteurs très sensibles.

La réalisation de ces composants a été fortement tributaire du développernent de

nouvelles méthodes de microfabrication collectives. Ces techniques d'usinage doive'lrt

permettre

d'offrir,

en ce

qui

conceme les actionneurs: un nombre de spires élevé pour

disposer

de

forces électromotrices suffisantes, des sections

de

spires suffisantes pour

diminuer

les pertes par

effet

Joule et faire passer suffisamment de courant

pour avoir

des inductions interessantes, et éventuellement la possibilité de superposer des couches

afin d'obtenir des bobinages di- ou triphasés'

Les

tendances actuelles

pour

la

microfabrication collective

de

microbobines

prend

appui

sur

les

techniques

utilisées

dans

les

circuits imprimés

mais

aussi des

usinages de surface développés pour la micro-élechonique'

Nous veffons ces

techniques après

avoir

d'abord

présenté

les

méthodes

classiques

de

réalisation

de

microbobines,

tout en

demeurant dans

une

optique

de

réalisation de bobinages pour moteurs.

1.4.2.2.

Méthodes de fabrication classiques

Les bobines plates ou solénoidales sont obtenues à partir de machines à

bobiner

traditionnelles dont

on

a repoussé les

limites

au niveau du diamètre

du

fil

utilisé

et

la

valeur de I'interspire. Les

densités

de

courant

qui

peuvent

circuler

dans

ce

type

de composants, ne dépassent pas généralement les

l0

Nmm2'

La bobine

d'un

moteur Lavet

(Cf.I.4.4.L)

comporte plusieurs

milliers

de spires

de

fil

de cuiwe

isolé

très

mince

A

20.

pm

enroulées mécaniquement

sur

un

noyau

magnétique doux en fer-nickel.

Plus

poussées

et

beaucoup

plus

récentes,

les

bobines des micromoteurs

à

réluctance de

I'UWisconsin (Cf.1.4.4.3.)

sont enroulées sur des noyaux en matériaux magnétiques usinés par technique

LIGA

X.

Par opposition à cette méthode de bobinage tridimensionnelle, longtemps

la

gravure de

circuits imprimés

simple

ou

double face 35 pm de

cuiwe

sur support éPoxY.

on

utilise

depuis

typiquement de

Fig.

I.I3

:

Matrice

de microbobines sérigraphiées

_IDIV

97J

1.4.2.3.

Méthodes de fabrication collectives

Les

bobines

planes

peuvent être

réalisées

en

utilisant ces

méthodes

de

fabrication

qui

marient les techniques d'usinages

de surface

(Couches minces) de

la

micro-élechonique, et les usinages

2D

épais et

3D qui

concernent les dépôts de résines épaisses, de conducteurs et les gravures des substrats.

Le principe

géneralement

utilisé

est

la

LIGA,

développée au début des années

80 au

FZK

(Centre de Recherches Nucléaires de Karlsruhe)

_[BEC

82].La LIGA

repose

sur

la

combinaison de

tois

étapes technologiques.

D'abord

une lithographie

X

ou

UV

permet

de

dupliquer

les

motifs

d'un

masque

dans

des résines

épaisses. Puis

l'électroformage

d'un

métal

dans

ce moule en

résine donne naissance

à

une

pièce

métallique qui peut être utilisée telle quelle (Le plus courant).

Enfin

ces microstructures peuvent être dupliquées par moulage dans une production de masse à bas coût.

Fig.

I.I4

:

Bobine du

LPMO

:

19 spires de Cu

(ép. 28 pm

x l.

80

pm,

interspire 20

pm)

En ce

qui

concerne les bobinages de micromoteurs, les geométries utilisées sont généralement simples. Ceux des penny motors de

I'IMM

_{(Cf.I.4.4.7.) INIE 99]}

sont

fabriqués

en

LIGA IJV

avec résine

SU-8

et

électroformage

de

2

couches

de

cuirne

Chapitre I : Etat de I'art tlrrough-tælê connectisns . :,Cq$'nÊCtiqn':"1p8$ , ' I' &p layrr wtn$lng hottarn layer wJndinE

Fig.

1.15 : Bobinage statorique et moule en résine SU'g de

I'IMM

On peut aussi citer la possibilité d'entrelacer le bobinage et le circuit magnétique

en méandres

(Cf.

I.4.4.3.)

_IAHN

93].

Fig.

I. 16 :

Bobinage et

circuit

magnétique entrelacés

Citons

enfin l'état

de

l'art

en matiere de bobines

3D qui

peuvent être obtenues par une

LIGA UV

plus complexe dite

PSMM

(Planarization

with

a Sacrificial

Metallic

Mold). Elle utilise un

autre

métal en

tant

que

moule

pour

incrânenter les

niveaux

successifs

_IYOO

991, les dispositifs sont finalement obtenus par dissolution sélective du métal utilisé en guise de moule.

Fig. I. 17 :

Bobine solénoïdale

obtenue

par

PSMM au I<AIST

1.4.2.4.

Conclusion

La

fabrication

de

microbobines

est

maintenant

relativement

bien

maîtrisée. Cependant, on peut constater que les bobinages utilisés pour les micromoteurs restent

assez rudimentaires d'un point de vue électrotechnique. 1.4.3.

Les

micreaimants

1.4.3.1.

lntroduction

Un des points clés du bon développement des micro-actionneurs magnétiques est

l'élaboration

de

micro-aimants

performants

:

hormis

les

actionneurs

à

réluctance

variable, tous

font

appel

à

l'énergie

magnétique

stockée

dans

les

aimants.

Les

microsystèmes performants

utilisent

actuellement

des

aimants massifs micro-usinés,

couches épaisses d'aimants que depuis quelques années, quelle que

soit

la

technique

utilisée.

Nous allons

voir

dans cette

partie

comment

on

peut obtenir

les

aimants

nécessaires à un micromoteur, et comment on peut les aimanter pour obte,nir plusieurs paires de pôles.

1.4.3.2.

Obtention des aimants

La

prerniere méthode

pour obtenir

des aimants est

de

prendre des matériaux

massifs et de les

micro-usiner,

par exemple par électro-erosion.

Ces

aimants

peuvent être

indépendants

les uns des

autres, aimantés avant assenrblage,

et

constituer

ainsi un pôle. Le

premier

prototlpe du LEG

(Cf.

I.4.5.)

comporte

ainsi

6

aimants

permanents

NdFeB 1,1

T

incrustés,

de

dime,nsions

Q 2,5 mm

x I

mm. Ils seront ainsi délicats à usiner mais faciles à aimanter.

Ou alors I'ensemble des pôles peut être en une seule pièce

qui

sera plus facile à

usiner, mais d'aimantation

plus

délicate.

C'est

le

cas

par

exemple

du

rotor

en

SmCo massif

Z

l0

mm du moteur de

API

Portescap présenté au1.4.4.6.

Fig.

I. 18 :

Rotor

multipolaire

en SmCo massif

O

I0

mm

de API Portescap

Le

problème de

la

mise en

forme

d'aimants micro-usinés reste

délicat pour

la fabrication en masse. Le moulage apparaît alors.

Pendant

mon

travail

de

DEA

_[GIL

97a]

nous avons

utilisé,

pour mouler

les

aimants

rotoriques

et

statoriques

(Cf.

I.4.5.), de

la

poudre

de

NdFeB

obtenue par broyage

de

rubans amorphes élaborés

au

LLN

(Laboratoire

Louis

Néel)

par

hlper-trempe

sur roue. Nous

avons été déçu

par les

mauvaise rémanence

et

coercivité

(

<

0,4

T)

des aimants

liés

ainsi

obtenus en raison

de I'oxydation de

la

poudre, de

I'orientation des grains avant collage (poudres isohopes), et

d'une

densité obtenue par compactage manuel nettement améliorable.

De

nombreuses equipes

de

recherche se

Chapitre I : Etat de l'art

tr,:...tt'iu

Fig.

1.19 :

:::

Rotur

multipolaire

A

10 mm

en poudre liée moulée du

LEG

L'équipe du

Sandia

National Lab apar

exemple obte,lru des aimants

_[CHR

99] dans des moules obtenus par lithographie profonde

X.

Ils utilisent des poudres isotropes de NdzFer+B amorphes (grains de

3

à 20

pm)

dans un

liant

PMMA.

Les performances magnétiques sont bonnes

(Br

0,63

T,

Hc

1,4T, Ms

I

T),

et

le

pressage sous champ

dewait

encore améliorer

la

rémanence.

Ils

obtiennent

des

aimants

de

200

pm

d'épaisseur

et

peuvent réaliser des formes complexes avec une

précision

laterale de I'ordre de 5 pm.

Fig. 1.20 :

Micro-aimants imbricables moulés du Sandia

I{ational

Lab

Dernier

exemple,

I'IMM

_[IMM]

et

I'université

de

Hannowe

ont

réalisé

des

aimants disques en NdFeB

lié

pour moteurs planaires

INIE

99]

IKLE

00] (Cf.

I.4.4.7.).

Ils

utilisent la

technique d'injection à

froid

de poudre NdFeB avec

liant

plastique sous

45

bars,

puis recuit

à

150

oC

pendant

2

h.

Ils

obtiennent

ainsi

des

aimants

ô

l

l

mm x 400 pm avec des tolerances dimensionnelles de 15 pm. Dans une optique de

production collective,

un

grand nombre d'aimants sont moulés en mêrne temps sur un support cornmun de

type

résine époxy,

qui

peut

être directement

utilisé

pour

l'étape

suivante d' assenrblage des rondelles d' aimants.

Fig.

I.2I

.'

Aimants moulés

par

iniection

àI'IMM

Enfin,

des résultats très prometteurs

de

dépôt

de couches épaisses d'aimants

sont apparus depuis quelques années.

Par

exemple,

le MISA

(Moscow Institute

of

Steel and

Alloys) a

élaboré des

50

pm/h

avec

ule

pulvérisation

cathodique

triode

_[KOR

99].

Les

propriétés magnétiques de ces aimants sont exceptionnelles

: Br

jusqu'à

1,4

T,

Hc jusqu'à

2

T,

aimantation perpendiculaire.

Fig.

1.22 :

Réseau de micro-aimants

dépos és par pulvéris ation cathodique

du MISA

1.4.3.3.

Processusd'aimantation

Une fois les aimants fabriqués,

il

reste à les aimanter, c'est à dire les soumettre à

un champ d'intensité supérieure à leur induction à saturation.

Une façon de résoudre le problème est de faire en sorte de

n'avoir

à les aimanter

que dans

un

seul sens.

Ceci

est possible de plusieurs façons.

On

peut

n'avoir

qu'une

paire

de

pôles

aimantés diaméfralement.

Ou bien

les pôles peuvent êhe

discrets et

dissociables.

Ou

encore, comme dans

mon travail de

DEA

_[GIL

97a],

on

peut

ne disposer que

d'un

pôle

sur

2, le

pôle

conséquent étant obtenu de manière

fictive

par

rebouclage

des lignes

de

champ,

ce

qui

se

fait

cependant

aux

détriments

des

performances : on dispose de 2 fois moins

d'aimant...

On peut également

utiliser

2 nuances d'aimants de coercivités étagées.

Il

suffit

alors d'aimanter

d'abord

tout

dans

un

sens,

à

fort

champ,

puis

d'aimanter

en

sens

inverse

avec

un

champ

plus

bas

qui ne

retournera

que

les

couches

de plus

faible

coercivité. Masque pour depôt localisé Substrat Depôt de la nuance I Depôt de la nuance 2

Enfin, pour

affronter

directement

le

problème,

il

faut

disposer

d'aimanteurs

multipolaires.

Ils

doivent

créer

un

champ

qui

dépasse

I'induction

à

saturation des

aimants.

Pour

cela

ils

utilisent

des bobines,

mais

comme

le

champ

qu'elles

sont capables de créer en

continu

est

faible

par rapport à ces champs

à

saturation,

on doit

utiliser

une

impulsion

de courant très grande, atteignant de fortes densités de courant

pendant

les

quelques dizaines

de

millisecondes

nécessaires

à

I'aimantation.

Ces

Fig.

1.23 :

Processus d'aimantation

Chapitre I : Etat de l'art

dispositifs sont classiques à grande échelle, par exemple chez

la

société

MMT

(Moving

Magnet TechnologY).

A

petite

échelle,

nous

avons

I'exemple des rotors

de

I'IMM

[KLE

00]

(Cf.

I.4.4.7.)

qui

sont

aimantés entre

2

méandres conducteurs

qui

équivalent

à

des

bobines à

un

seul tour. Une impulsion de courant de 5000

A

crée alors les 3000

kA/m

nécessaires à I'aimantation des 8 pôles de 400 pm d'épaisseur.

Fig.

1.24 :

Disp o s

tttf

d' AimAntation

des rotors de

I'IMM

1.4.3.4.

Conclusion

La magnétisation des aimants en paires de pôles

multiples

se révèle délicate, et

demeure

un

frein pour

le

développement

des

microsystèmes.

Aucune

technique

collective d'aimantation multipolaire

n'est

encore

au

point,

malgré

les

travaux

très

encourageants menés actuellement.

1.4.4.

Les micromoteurs électromagnétiques

1.4.4.1.

Le moteur Lavet

Le

moteur inventé par

M.

Lavet

(France, 1936)

_[MfN

98]

est sans conteste le plus ancien et le plus courant des micromoteurs électromagnétiques.

Il

est en effet à la

base

de I'horlogerie

électronique

et

équipe

la

quasi-totalité des

montes

mécaniques produites dans le monde (Plus de 500

millions /

an).

Ce moteur ne ressemble à aucune structure classique

tout

en étant très simple.

Une

bobine

de

fil

conventionnel crée

le

champ statorique.

Le

rotor

étant

aimanté

diamétralernent,

on

obtient

un

moteur pas-à-pas

à

deux

pas

par

tour qui, à

chaque

impulsion

de courant alternativement positive et négative, entraîne le

jeu

d'engrenages

et les aiguilles de

la

montre.

Une

légère dissyméhie

de

I'isthme magnétique senrant

d'entrefer

permet au

rotor

d'être faiblement

décalé

et

donc

de

démarrer

et

tourner toujours dans le même sens malgré

le

fonctionnement monophasé du moteur. Le

tout

a

une forme très plate,

indispensable

pour

rentrer dans

le

boîtier de

la

montre,

et

également très simple à fabriquer en ce

qui

conceme

le circuit

magnétique, obtenu par

itrtqr droft

e

Fig.

1.25 :

Schéma

d'un

moteur pas-à-pas de type Lavet

Un moteur Lavet peut développer un couple impulsionnel de 50

pN.m

sous une

impulsion de courant de 300

pA

sous 1,5

V

avec un rendement de I'ordre de 20 %.

1.4.4.2.

Les moteurs cylindriques

La réduction d'échelle des géométries de moteurs existantes

exclut

les contacts

tournant

car les

frottements

et

I'usure

deviennent

prohibitifs

aux petites dimensions.

L'essentiel des réalisations concerne alors des moteurs à aimants de type saucisson (On

dira plutôt grain de

riz

dans notre cas

!),

soit pas-à-pas soit brushless, ce qui ne change pas

la

structure fondamentale.

Leur

fabrication

utilise

les techniques de mécanique de

précision, et leur

prix

de revient est en conséquence élevé.

Un

premier exemple

de

moteur

pas-à-pas

(CETEHOR

_[CET]

et

MMT,

Besançon France, 1994)

_[SAU

94]

fait

ô

2 mm

x

7,5 mm. Ce double moteur comporte deux

fois

15 paires de pôles, 92 pièces au total dont 60 aimants micro-usinés. Ce moteur

pas-à-pas de 60 pas par tour tourne jusqu'à 6 000

trlmn

et développe

jusqu'à

50 pN.m.

Le moteur de

I'IMM

(Mainz Allernagne, 1996)

_UMMI

fait tD 1,9 mm

x

4 mm.

Il

a

atteint 7,5

pN.m

sous 0,15

A,

peut tourner

jusqu'à

500

000

trlmn. Avec 2

de

ces

moteurs

I'IMM

a

construit

un

hélicoptère de

24

mm

de

long,

qui

pèse

0,4

g,

et

qui décolle à partir de 40 000 trlmn.

Fig. 1.26 : Le moteur de

I'IMM

avec son réductanr et l'hélicoptère...

Le plus petit

moteur

à

aimants

construit

à

ce

jour

(Toshiba, Japon,

1993)

UTO 931

fait

seulement

O

0,8

mm

x

1,2 mm. Sa géométrie est très

simple:

un

aimant

permanent rotorique SmCo bipolaire et 3 bobines statoriques de 20 tours.

Il

a tourné à

l0

000

trlmn

avec des problèmes de pertes dans les paliers.

Parmi les produits proposés par les indushiels, on peut citer le moteur brushless

ô

6 mm

x

21 mm

de

Maxon motor

(Suisse,

2000)

_tMAXl.

C'est

un produit

fini

qui

Chapitre I : Etat de l'art

adaptés sont également disponibles. Son couple nominal est de 260

pN'm

pour 0'5

A

sous 9

V,

il

peut toumer

jusqu'à

100 000

trlmn'

Fig.

1.27 : Le plus

petit

moteur de Maxon

Fig.

1.28 : Le moteur de

kMB

et de

I'EPFL

Le

groupe

RMB

(Suisse)

_IRMBI

a

havaillé en

collaboration avec I'EPFL

(Lausanne Suisse,

lgg7)

et propose également un moteur brushless @ 3

mm

x

l1

mm

(Smoovy). Ses caractéristiques nominales atteignent 25 pN.m et 70 000

n/mn

sous 4

V.

1.4.4.3.

Les moteurs

à

réluctance variable

Une adaptation des moteurs à réluctance a été faite à

I'Université

du Wisconsin (Madison

USA)

[GUC

9l].

Dans un premier temps

la

source de champ variable

n'était

pas intégré dans

le dispositif.

Seul le rotor

O

3,5 mm était obtenu par des technologies

collectives, ainsi que les éléments qui I'entourent directement. Ces élânents sont usinés

en nickel

ou

permalloy

par LIGA

X

(Lithographie

profonde

à

rayons

X

puis électrolyse). Le moteur a entraîné les engrenages qui I'entourent.

Fig.

L29

:

Dispositifs à réluctance vartable de I'UWisconsin

Un

deuxième

dispositif [GUC 93]

intègre

lui la

source de champ.

Le

rotor

est

toujours

réluctant,

avec

4

pôles saillants.

Le

champ est créé par des bobines entourant les branches du

circuit

magnétique. Le

rotor

est e,lr lévitation magnétique à

40

lrm

au-dessus

du

subshat (par simple effet réluctant)

afin

de minimiser les frottements. I1

fait

O

0,14

mm et le

moteur

complet

Q

2,5

mm

x

0,150

mm. La

partie inférieure

des

bobines est déposée sur

|e

substrat, et isolée par

2

pm

de SiOz.

Le circuit

magnétique obtenu

par

LIGA

X

est placé au dessus, et les bobines sont complétées par bonding.

Alimenté par

0,6

A,

le

moteur

développe

un

couple estimé

à

1

nN.m, et

a

atteint

la

vitesse

de

150 000

trlmn.

D'après les tests 10

millions

de tours

n'ont

enfaîné

aucune usure apparente.

Le bobinage a par la suite encore été amélioré (Cf

1.4-2-2-)-Un

systèrne complètement

intégré

a

également

été fabriqué

_IAHN

93].

n

fonctionne sur le même

principe,

avec 12 pôles au stator

et

l0

au

rotor.

Le bobinage et

la

culasse sont fabriqués en méandres

qui

s'entelacent

pour créer

le flux

magnétique.

Le stator fait

O

1,4

mm x0,12

mm,le

rotor

Ô

0,5 mm. La vitesse atteinte est 500

trlmn

pour un couple estimé à 3,3 nN.m.

Fig.

I.jO

: Dispositif à réluctance intégré

1.4.4.4.

Les moteurs asynchrone

En dépit de la mauvaise réputation liée à la chute de leur rendement des moteurs asynchrones dans les petites dimensions, et malgré le mauvais pronostic issu de l'étude

de

la

réduction

d'échelle

(Cf.

1.2.4.6.), des

havaux

(Université

de Sheffield,

Grande-Bretagne)

_[WIL

97]

ont donné un moteur à induction élechomagnétique

qui

entraîne en

lévitation

totale un rotor de

O

500 prm

x

12 pm. Ce moteur a tourné

à

1000

trlmn

pour

une fréquence d'alimentation de

l,4MHz.

Le couple théorique est

à

I

MHz

de 3 pN.m

pour

I

A,

avec un rendement

limité

à 0,01 ppm.

Dans

la

même optique

le

LEG

(Grenoble France)

a

développé

un

moteur

planaire à induction monté sur palier

magnétique

_{[FER 99]. l-e rotor}

O

18

mm

est

composé dans sa

partie

utile de

2

couches

de 50 pm de cuiwe qui

développe les

courants

induits et

de

nickel

qui

contraint les lignes

de

champ.

Le

bobinage est

à

2 couches sur capton. Ce moteur développe un couple de 1,3

pNm

à 4500

trlmn

sous 3

A,

avec un rendement de 125 ppm.

Fig.

1.3

I

.'

Moteur asynchrone du

LEG

L'avantage

de

ces moteurs est

la

simplicité

de

fabrication de leurs rotors

et I'absence totale d'usure. Leurs performances restent faibles.

Chapitre I : Etat de I'art

t.4.4.5.

Les moteurs

spindle (sPM)

pour disques durs (HDD)

Les moteurs utilisés pour enfiaîner les disques durs (Nidec, SeaGate,

IBM IIBM

9g1...) ne

sont

pas technologiquernent

spécifiques:

ce

sont

des moteurs brushless.

Cependant ce sont les seuls à bénéficier d'un marché de masse (Plus de 100

millions

de

piéces

pil

m),

et

ils

sont donc

très

spécialisés.

La

tendance des

HDD

étant

à

la miniaturisation, les SPM doivent suiwe : pour un

HDD

de

2,5"

le

SPM

fait

O

1"

soit

(D ₂₅

_mm,

_{et apparaissent actuellement des}

HDD de

1"

qui

poussent les SPM dans la

catégorie des micromoteurs.

Les enjeux

des

SPM sont donc

la

réduction

de

leur taille, mais

aussi

de

la

consommation, des vibrations et du

bruit.

Pour y répondre, les dernières évolutions sont

I'utilisation

d'aimants terres rares,

la

suppression des capteurs avec en remplacernent

I'utilisation

de

la

fém induite pour

la

commande, et le remplacement des roulements à

billes par des paliers fluides ou magnétiques.

Fig.

1.32

:

Vue en coupe d'un SPM et

pHDD ù'IBM

Un tel

moteur

doit

toumer

à environ

l0

000

trlmn.

Les

autres caractéristiques

sont gardées secrètes par les constructeurs.

1.4.4.6.

Les moteurs Planaires

Voyons d'abord une catégorie de moteurs

qui

se rapprochent

plus

des moteurs

cylindriques par le mode de fabrication en mécanique de précision, mais

qu'on

a placés

ici

car leurs rotors sont des disques. Ce sont des moteurs pas-à-pas.

$hIfr

*-

BËtl b.Ëaring

St*tt*r

Coil Rotar rTnfinÉt

-r

_{Ë

_poles}

G*

Shatùr Çuil

Fig.

1.33 : Schéma du moteur de Yaskawa Fig. 1.34 : moteur de

API

Portescap démonté Le moteur de

la

firme Yaskawa

_[MAT

961

_IMIN

981

fait

@ 3 mm, et intègre un

Le moteur de

API

Portescap IPOR]

O

l0

mm

x

20

mm

est

à24

pas par tour.

Il

exerce un couple de maintien de 1850 pN.m et un couple d'entraîneme,lrt de 1300

pN.m

à 1000

trlmn,

sous un courant nominal de 0,15

A

en diphasé.

Si

on

taduit

maintenant

le

principe du moteur

synchrone

dans sa

plus

simple

expression

on va

obtenir des actionneurs coûlme

ceu(

de

I'ISIT

(Itzehoe Allemagne)

[V/AG

92],

constitués

d'un

simple aimant entraîné en rotation ou en translation par un

champ créé

par

des microbobines.

Un

aimant disque

O

1,4

film

x

1

mm

en

SmCo

aimanté diamétralement est posé sur

le

substrat et maintenu Drialement par

un

palier rudimentaire en plexiglas. Le champ tournant est créé par 4 bobines (5 spires de 30

pm

de large, espacées de 20 pm et epaisses de 25 pm) deposées par

élecfolyse d'or

dans un moule de résine epaisse de 30 pm elle-même gravée par lithographie

UV. Un

courant de 0,5

A

produit un couple de 0,1

FN.m,la

vitesse de rotation atteint 2000 h/mn.

Fig.

1.3 5 :

Actionneur

rotatif

de

I'ISIT

1.4.4.7.

Le micromoteur synchrone planaire à aimants

de

I'IMM

Un

moteur nettement plus évolué que

le

dernier

qui

a été décrit, très proche de ce que nous voulons

faire

et

qui

se pose comme notre concurre,rt

le plus direct,

a été

conçu

et

développé

à

I'IMM

(Mainz

Allunagne)

_[IMM]

_{INIE 99]}

_IKLE

00].

Il

est

d'ores et déjà proposé à la vente.

Il

a

4

paires de pôles. Sa

taille

est de

O

12,8

ûlm

x

1,4

mm

dans

la

version optimisée, etQ- 12

ûlm

x

3

mm

dans la version avec électronique de commutation. Le bobinage est

formé de

2

couches de bobines concentriques

(Cf

1.4.2.).

Le

palier

est

constitué

d'un

roulement

à bille. Le

rotor est

constitué

d'aimants moulés

NdFeB

Chapitre

I

: Etat de l'art @ (f) @ o @ o o F rO o Explod-ed-.Yi.ew 6" yoke.cover _shaft

____.k)

magnet ring

S)

çS---* baft bearing

Fig.

L36

:

Vues éclatées des versions optimisées et bas coût du penny

motor

Fig. 1.37 :

La

famille des penny-motors de

I'IMM

:

Version optimisée,

version avec électronique de commutation,

et version bas coût

Du

côté des performances,

I'IMM

affiche 100

pN.m

et 20 000

trlmn

sous 0,2

A

et 5

V

pour la version optimisée, 60

pN.m

et 60 000

t/mn

toujours sous 0,2

A

et 5

V

pour la version avec élecfionique de commutation.

1.4.4.8.

Les micromoteurs synchrones planaires à aimants

du

LEG

Le

Groupe

Microsystèmes

du

LEG

s'est investi

depuis 1994 dans

le

développement

de

micromoteurs élechomagnétiques.

Le

premier

objectif du

groupe

demeure

la

création

de

prototypes

operationnels

présentant

des

caractéristiques

innovatrices

:

suspension magnétique,

motorisation,

capteur

de position,

utilisation

d'aimants permanents performants, mise en oeuwe des micro-technologies de

pointe...

Plusieurs

prototlpes

ont ainsi déjà été construits.

Bien

que I'approche de fabrication de

ces premiers prototypes demeure celle des technologies planaires,

ils n'ont

pas bénéficié

au départ des procédés de microfabrication.

Le

premier prototype

_ICUG

96]

O

l8

mm

comporte au stator

6

bobines de 7

tours de

fil

O

200

pm

enroulées à la main. Les aimants du

rotor

sont décrits en I.4.3.2.

Bien

que

I'entrefer

fasse près de

2 mm, du

fait d'un

surdimensionnement de

la

butée magnétique,

le

moteur, alimenté par

un

courant

de

I

A,

a

atteint

40

000

trlmin.

Son couple est estimé à 50 pNm. Un capteur de position à effet

Hall

est visible dans le stator